Контакты

При изготовлении полупроводниковых приборов и ИС для получения омических контактов к кремнию, межэлементных соединений и контактных площадок, а также электродов затвора МОП-структур широкое распространение получили пленки алюминия, что обусловлено следующими достоинствами этого металла: – низкой стоимостью Аl и возможностью использования для всех процессов металлизации одного металла, что значительно упрощает и удешевляет технологию и предотвращает возникновение гальванических эффектов; – высокой электропроводностью пленок Аl, близкой к электропроводности объемного материала; легкостью испарения Аl в вакууме из вольфрамовых тиглей и электронно-лучевых испарителей; – высокой адгезией Аl к кремнию и его окислам; низкоомностью контакта Аl с кремнием р- и n-типов проводимости; – заметной растворимостью кремния в Аl с образованием твердого раствора, почти не уменьшающего электропроводности; – отсутствием в системе Аl–Si химических соединений; – химическим взаимодействием А1 с SiО₂, частично остающимся на контактных площадках; химической стойкостью А1 в окислительной среде и радиационной стойкостью; – легкостью проведения фотолитографических операций для получения конфигурации проводящих дорожек с использованием травителей, не реагирующих с кремнием и двуокисью кремния; хорошей пластичностью Аl и устойчивостью к циклическим изменениям температуры. Наряду с перечисленными достоинствами металлизация алюминием обладает рядом существенных недостатков, важнейшими из которых являются следующие: – малая величина энергии активации атомов А1, вызывающая электромиграцию при плотностях тока примерно 10⁶ А/см² и повышенных температурах, в результате чего появляются пустоты в пленках; – возможность короткого замыкания через диэлектрик в многоуровневых системах металлизации вследствие образования острых выступов на пленке в результате электромиграции и рекристаллизации А1; – опасность гальванической коррозии Аl при одновременном использовании других металлов – большая скорость диффузии А1 по границам зерен, не допускающая использования приборов с металлизацией А1 при температурах более 500°С; – интенсивное химическое взаимодействие А1 с двуокисью кремния при температуре около 500°С; – низкая точка плавления (около 577°С) в эвтектике систем алюминий–кремний; – большое различие (в 6 раз) коэффициентов термического расширения А1 и кремния; – мягкость А1 и, следовательно, невысокая механическая прочность пленок; – невозможность присоединения выводов с помощью пайки; – высокое пороговое напряжение в МОП-структурах в связи с большой работой выхода. Из-за перечисленных недостатков алюминиевая металлизация не применяется в ИС и транзисторах с мелкими эмиттерными переходами, а также в МДП ИС для создания затворных электродов. Для этой цели применяют однослойные и многослойные системы из различных металлов (в том числе А1 для получение верхнего слоя). Наиболее подходящими материалами являются вольфрам и молибден. В частности, вольфрам имеет практически одинаковый с кремнием температурный коэффициент сопротивления (ТКС), хороший омический контакт к кремнию р- и n- типов проводимости, малое (в 2,5 раза) отличие от алюминия по электропроводности, самое высокое из всех металлов значение энергии активации при самодиффузии, высокую температуру плавления эвтектики с кремнием, химическую инертность на воздухе и в водном растворе плавиковой кислоты, а также высокую твердость, что исключает возможность появления царапин на пленке. Благодаря высокой температурной стойкости W его можно использовать для многоуровневой металлизации, чередуя слои двуокиси кремния с W. При термообработке на поверхности пленки не образуются холмики, и нет опасности короткого замыкания между токоведущими дорожками в многослойной металлизации. Кроме того, пленки W (также как и пленки Мо) являются металлургическим барьером, препятствующим образованию межкристаллической структуры кремния и алюминия. Недостатком металлизации W является трудность получения пленок (для чего обычно используют пиролиз гексофторида вольфрама) и их травления (в щелочном растворе ферроцианида). Оба эти процесса сложны и проводятся с использованием токсичных веществ. Кроме того, непосредственно к вольфраму невозможно подсоединить внешние выводы, поэтому поверх него на контактные площадки наносят какой-либо другой металл (Рt, Ni, Аu, Сu, А1 и др.). 13.4.2 Подложки Материал, используемый для изготовления подложек, должен иметь однородный состав, гладкую поверхность (с чистотой обработки по 12÷14 классу), обладать высокой электрической и механической прочностью, быть химически инертным, обладать высокой теплостойкостью и теплопроводностью, коэффициенты термического расширения материала подложки и осаждаемой пленки должны быть близки по значению. Вполне понятно, что практически почти невозможно подобрать материалы для подложек, которые в равной степени удовлетворяли бы всем перечисленным требованиям. В качестве подложек для гибридных ИС используют ситаллы, фотоситаллы, высокоглиноземистую и бериллиевую керамику, стекло, полиимид, а также металлы, покрытые диэлектрической пленкой. Ситаллы – стеклокерамические материалы, получаемые путем термообработки (кристаллизации) стекла. Большинство ситаллов получено в системах Li₂О-Аl₂О₃-SiO₂-ТiO₂ и RО-Al₂О₃-SiO₂-ТiO₂ (где в качестве R могут быть Са, Мg, Ва). В отличие от большинства высокопрочных тугоплавких кристаллических материалов ситаллы обладают хорошей гибкостью при формировании. Их можно прессовать, вытягивать, прокатывать и отливать центробежным способом, причем они выдерживают резкие перепады температуры. Они имеют низкие диэлектрические потери, по электрической прочности не уступают лучшим сортам вакуумной керамики, и по механической прочности в 2÷3 раза прочнее стекла. Ситаллы непористы, газонепроницаемы и имеют незначительное газовыделение при высоких температурах. Поскольку по своей структуре ситаллы многофазны, то при воздействии на них различных химических реактивов, применяемых, например, для очистки поверхности подложки от загрязнений, возможно глубокое селективное травление отдельных фаз, приводящее к образованию резкого и глубокого рельефа на поверхности подложки. Наличие шероховатостей на поверхности подложки снижает воспроизводимость параметров и надежность тонкопленочных резисторов и конденсаторов. Поэтому для уменьшения высоты и сглаживания краев микронеровностей иногда на подложку наносят грунтующий слой из материала, обладающего хорошими диэлектрическими и адгезионными свойствами, а также однородной структурой (например, слой моноокиси кремния толщиной в несколько микрометров). Из стекол в качестве подложек применяются аморфные силикатные стекла, бесщелочное стекло С48-3, боросиликатное и кварцевое стекло. Силикатные стекла получают из жидкого расплава окислов путем их переохлаждения, в результате чего сохраняется структура жидкости, т.е. характерное аморфное состояние. Хотя в стеклах имеются области с кристаллической фазой (кристаллиты), они распределены хаотично по всей структуре, занимают малую часть объема и существенного влияния на аморфную природу стекла не оказывают. Кварцевое стекло является однокомпонентным силикатным стеклом, состоит практически из одного оксида кремния и получается путем плавления его природных разновидностей. Оно имеет очень низкий коэффициент термического расширения, что определяет его исключительно высокую термостойкость. По сравнению с другими стеклами кварцевое стекло инертно к действию большинства химических реагентов. Органические и минеральные кислоты (за исключением плавиковой и фосфорной кислот) любых концентраций даже при повышенной температуре почти не действуют на кварцевое стекло. Керамические подложки находят ограниченное применение из-за высокой пористости. Достоинствами этих подложек являются высокая прочность и теплопроводность. Так, например, подложка из керамики на основе ВеО обладает в 200÷250 раз более высокой теплопроводностью, чем стекло, поэтому при напряженных тепловых режимах целесообразно применять бериллиевую керамику. Помимо бериллиевой керамики применяют высокоглиноземистую (94% Аl₂О₃) керамику, плотный алюмооксид, стеатитовую керамику, а также глазурованную керамику на основе окиси алюминия. Следует отметить, что глазури имеют толщину менее 100 мкм, и поэтому не являются заметным барьером между пленкой и подложкой при невысоких уровнях мощности. Микронеровности необработанной керамики в сотни раз больше, чем у стекла, и достигают нескольких микрометров. Они могут быть значительно снижены путем полировки, однако при этом существенно загрязняется поверхность керамической подложки. Наличие загрязнений на подложке оказывает существенное влияние как на адгезию, так и на электрофизические свойства пленок. Поэтому перед осаждением приходится тщательно очищать подложки, а также защищать их от возможности появления масляных пленок, которые могут возникнуть в результате миграции паров рабочих жидкостей из насосов. Эффективным способом очистки является ионная бомбардировка поверхности подложки в плазме тлеющего разряда. Для этого в рабочей камере вакуумной установки обычно предусматриваются особые электроды, на которые от маломощного высоковольтного источника подается напряжение в несколько киловольт. Электроды чаще всего изготавливают из алюминия, поскольку среди металлов он имеет самую низкую скорость катодного распыления. Даже незначительное загрязнение подложки может полностью изменить условия роста пленки. Если загрязнения располагаются на подложке в форме небольших изолированных друг от друга островков, то в зависимости от того, какая энергия связи больше – между материалом пленки и материалом загрязнения или же между материалом пленки и подложкой – пленка может образоваться либо на этих островках, либо на обнаженной части подложки. Адгезия пленки в очень сильной степени зависит от наличия окисного слоя, который может возникнуть в процессе осаждения между пленкой и подложкой. Такой окисный слой образуется, например, при осаждении железа и нихрома, чем и объясняется хорошая адгезия этих пленок. Пленки из золота, которое не подвержено окислению, имеют плохую адгезию, и поэтому между золотом и подложкой приходится создавать промежуточный подслой из материала с высокой адгезией. Желательно, чтобы образующийся слой окисла был сосредоточен между пленкой и подложкой. Если же окисел будет диспергирован по всей пленке или же будет располагаться на ее поверхности, то свойства пленки могут сильно измениться. На образование окислов сильное влияние оказывают состав остаточных газов в рабочем объеме установки и в особенности наличие паров воды. 13.4.3 Тонкопленочные резисторы Если еще недавно тонкопленочные резисторы использовались главным образом при изготовлении гибридных ИС, то за последние годы они все шире начинают применяться в производстве монолитных ИС по совмещенной технологии. Замена диффузионных резисторов на тонкопленочные дает целый ряд преимуществ: низкий температурный коэффициент сопротивления, низкую паразитную емкость, более высокую радиационную стойкость, более высокую точность номинала и др. Материалы, используемые при изготовлении резистивных пленок, должны обеспечивать возможность получения широкого диапазона стабильных во времени резисторов с низким ТКС, обладать хорошей адгезией, высокой коррозионной стойкостью и устойчивостью к длительному воздействию повышенных температур. При осаждении материала на подложке должны образовываться тонкие, четкие линии сложной конфигурации с хорошей повторяемостью рисунка от образца к образцу. Резистивные пленки чаще всего имеют мелкозернистую дисперсную структуру. Наличие дисперсности в структуре пленок позволяет в первом приближении рассматривать их электросопротивление как суммарное сопротивление отдельных гранул и барьеров между ними, при котором характер общего сопротивления определяет величину и знак ТКС. Так, например, если преобладающим является сопротивление самих зерен, то проводимость пленки имеет металлический характер и ТКС будет положительным. С другой стороны, если сопротивление обусловлено прохождением электронов через промежутки между зернами (что обычно имеет место при малых толщинах пленки), то проводимость будет иметь полупроводниковый характер и ТКС соответственно будет отрицательным. В производстве монолитных ИС используются главным образом высокоомные резисторы. Для того чтобы резисторы имели минимально возможные габариты, они должны изготовляться с тем же разрешением и допуском, что и другие элементы ИС. Это исключает применение для получения требуемой конфигурации резисторов свободных металлических масок и позволяет осуществлять ее только с помощью фотолитографии. Процесс изготовления резисторов должен быть совмещен с основным технологическим процессом изготовления всей кремниевой ИС по планарной или эпитаксиально-планарной технологии. Так, например, резистивные пленки не должны быть чувствительны к присутствию на кремниевой пластинке нитрида кремния, фосфора, боросиликатного стекла и других материалов, используемых в производстве монолитных ИС. Они должны выдерживать сравнительно высокую температуру (500÷550°С), которая имеет место в процессе герметизации ИС, и в некоторых случаях не должны изменять свои свойства под воздействием окислительной среды. В монолитных ИС для изготовления резисторов используют в основном нихром и тантал. При изготовлении гибридных ИС используется значительно более широкая номенклатура материалов для тонкопленочных резисторов. В качестве низкоомных пленок с R_s от 10 до 300 Ом используют пленки хрома, нихрома и тантала. Получение пленок хрома с воспроизводимыми электрофизическими свойствами несколько затруднено его способностью образовывать соединения (особенно окисные) при взаимодействии с остаточными газами в процессе испарения и осаждения. Значительно более стабильными характеристиками обладают резисторы на основе хромоникелевого сплава (20% Сr и 80% Ni). Пленки тантала благодаря наличию различных его структурных модификаций имеют очень широкий диапазон поверхностных сопротивлений (от нескольких Ом до нескольких МОм). В качестве высокостабильного резистивного материала применяют также нитрид тантала, Значительное расширение номиналов резисторов достигается путем применения металлокерамических пленок и пленок силицидов некоторых металлов. В этих системах в качестве металла чаще всего используется хром, а в качестве диэлектрика ‒ оксиды, бориды, нитриды и силициды переходных металлов, а также окислы некоторых металлоидов. Пленки из дисилицида хрома, так же как и пленки из сплава кремния, хрома и никеля, имеют R_s до 5 кОм. У пленок на основе системы хром ‒ моноокись кремния R_s в зависимости от содержания хрома может изменяться от единиц до сотен Ом. 13.4.4 Тонкопленочные конденсаторы Тонкопленочные конденсаторы, несмотря на кажущуюся простоту трехслойной структуры, являются наиболее сложными и трудоемкими по сравнению с другими пленочными пассивными элементами. В отличие от резисторов, контактных площадок и коммутации, при изготовлении которых достаточно произвести осаждение одного или двух слоев (подслоя и слоя), изготовление тонкопленочных конденсаторов требует по меньшей мере осаждения трех слоев: нижней обкладки, пленки диэлектрика и верхней обкладки (применение большего числа обкладок затрудняет процесс изготовления конденсаторов и увеличивает их стоимость). Материал, используемый для изготовления диэлектрических пленок, должен иметь хорошую адгезию к металлам, используемым для обкладок конденсатора, быть плотным и не подвергаться механическому разрушению при воздействии температурных циклов, обладать высоким пробивным напряжением и малыми диэлектрическими потерями, иметь высокую диэлектрическую проницаемость, не разлагаться в процессе испарения и осаждения и обладать минимальной гигроскопичностью. Самыми распространенными материалами, применяемыми в качестве диэлектрика в пленочных конденсаторах, являются моноокись кремния (SiО) и моноокись германия (GеО). В последние годы для этой цели стали применять алюмосиликатные, боросиликатные и антимонидогерманиевые стекла. Наиболее перспективными диэлектриками являются композиционные стеклообразные соединения, поскольку для них имеется возможность изменять в широких пределах электрофизические, физико-химические и термодинамические свойства путем подбора состава стекла и реализации особенностей агрегатного состояния стеклообразных систем в тонкопленочных структурах металл-диэлектрик-металл.

<2 3 456 7 8 >

Дата добавления: 2014-12-04; просмотров: 1268;